淀粉修飾熒光素材料測定三峽庫區土壤和水體中的Fe3+及其來源分析

來守軍 +賈天明 關曉琳++林俊杰++楊季冬++陳星++左波

摘要：基于金屬離子的路易斯（Lewis）酸性和配位能力的差別，設計合成環保型修飾劑淀粉接枝的功能化熒光素。紅外光譜和熒光光譜表征表明，該功能材料保持了熒光素的光學特性，利用材料的酸敏感特性建立了測定Fe3+濃度的標準方法。采用光學探針方法測定三峽庫區土壤和水體中的Fe3+濃度，并根據測試結果分析庫區的污染物來源，為控制污染提供了參考。

關鍵詞：淀粉；熒光素；三峽庫區；Fe3+；熒光；污染分析

中圖分類號： X524；X502文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0449-03

收稿日期：2015-11-04

基金項目：國家自然科學基金（編號：21475014、51363019、41301248）；三峽庫區水環境演變與污染防治重點實驗室開放基金（編號：WEPKL2013MS-01）。

作者簡介：來守軍（1977—），男，吉林遼源人，博士，教授，主要從事污染物的熒光探針合成與應用研究。Tel：（0931）8685568；E-mail：shoujunlai@163.com。

路易斯（Lewis）酸堿理論認為，化學反應中，能接受電子對的物質是酸，能給出電子對的物質是堿。因此，凡是分子中某原子有空軌道的都是Lewis酸，金屬離子吸電子的能力越強，其酸性也越強[1]。雖然該理論已經提出了近百年，但是利用金屬離子自身的酸堿性差異性測定金屬離子的報道非常少，主要原因在于，金屬離子的酸堿性不僅取決于自身性質，例如電荷數、半徑大小、元素周期表中的位置等，還與配體的結合能力有關。更為主要的是，很難找到合適的試劑指示金屬離子酸度差異性。隨著現代科技的發展，對于金屬離子的分析測試不僅要求靈敏度高，同時還應具備環保型的要求，所以尋找一種環保、高效的試劑用于分析金屬離子非常重要。目前對金屬離子的分析主要采用原子吸收光譜法[2-3]和電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）[4]。熒光素是1871年由化學家Bayer合成的一類經典的熒光試劑，由于氧橋鍵把2個苯環固定在1個平面上，使得熒光素分子具有剛性共平面結構，在激發光的作用下能產生強烈的熒光，關鍵是熒光素具有無毒、成本低的特性，雖然熒光素對pH值變化敏感，但是由于其水溶性差以及具有一定細胞毒性，導致應用受限[5]。本研究采用共混方法合成淀粉修飾的熒光素，將其用于三峽庫區土壤和水體中Fe3+的測定，旨在提供一種基于Lewis酸的測定金屬離子的新方法。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

主要試劑：碘化鉀（分析純，上海化學試劑總廠）、環氧氯丙烷（分析純，成都市科龍化工試劑廠）、無水乙醇（重慶西南化學試劑有限公司）、熒光素（分析純，北京科華科技特種試劑聯合開發中心）、氫氧化鈉（分析純，汕頭西隴化工廠有限公司）、二甲基亞砜（DMSO，分析純，成都市科龍化工試劑廠）、氫化鈉（分析純，成都市科龍化工試劑廠）、鹽酸（分析純，汕頭西隴化工廠有限公司）、可溶性淀粉（四川省彭州市軍樂化工廠）、無水甲醇[分析純，重慶川東化工（集團）有限公司化學試劑廠]、硝酸鐵（分析純，上海化學試劑總廠）。

主要儀器：F-4500熒光分光光度計（日本日立公司）、UV2450紫外-可見分光光度計（日本島津公司）、IR prestige-21紅外光譜儀（日本島津公司）、FA1104N電子天平（上海精密科學儀器有限公司）、 TDL-40B臺式離心機（上海安亭科學儀器廠）、DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海齊欣科學儀器有限公司）、CL-2恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責任公司）。

1.2淀粉修飾的熒光素材料合成與表征

1.2.1材料合成

于100 mL圓底燒瓶中加入約1.0 g氫化鈉，通入一定時間氬（Ar）氣后，慢慢向瓶中滴加溶有1.0 g淀粉（ST）的二甲基亞砜溶液，攪拌直至體系中無H2放出，加入溶有1.5 g 3-環氧丙氧基熒光素（EPF）的DMSO溶液[6]，室溫下（約25 ℃）反應10 h，用大量無水乙醇沉淀得到棕紅色液體，離心后得到深黃色固體粉末。將該粉末溶于蒸餾水中，得到深棕色水溶液的pH值顯示強堿性。用一定量鹽酸中和至pH值為 3～4后靜置片刻，再用乙醇沉淀，得到亮黃色固體粉末。反復溶解沉淀3～4次后所得到的產品再用無水甲醇抽提直至抽提液無熒光為止。40 ℃左右恒溫干燥，得到亮黃色固體粉末狀產物：淀粉-3-環氧丙氧基熒光素（ST-EPF）。ST-EPF具體合成路線見圖1。

1.2.2材料表征

取2 mg ST-EPF在瑪瑙研缽中研磨成細粉末，與干燥的溴化鉀粉末（約100 mg，粒度200目）混合均勻，裝入模具內，在壓片機上壓制成片，之后在紅外光譜儀上測試。取材料10 mg，用二次蒸餾水溶解，定容至1 L，濃度為

[FK（W13][TPLSJ1.tif]

10.0 mg/L，備用。設定激發波長為460 nm，發射波長范圍為480～650 nm，掃描電壓為700 V，狹縫寬度為10 nm。取備用溶液，稀釋10倍，測定其熒光光譜、紫外光譜。

1.3合成材料對金屬離子的響應分析

為了考察該材料對金屬離子的響應選擇性，配制一系列金屬離子水溶液，包括K+、Na+、Ag+、Ca2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+、Fe2+、Al3+，備用濃度均為 0.1 mmol/L，試驗操作條件與之前的熒光測試條件相同。

1.4合成材料對Fe3+的熒光光譜響應分析

基于材料對Fe3+的特性響應，配制1.0×10-7～3.0×10-5 mol/L濃度的Fe3+溶液，基于標準曲線法建立標準曲線，計算相關系數，評價方法的實用性。

1.5三峽庫區土壤與水樣中Fe3+的測定

根據三峽庫區的土壤和水體特點，選取重慶市萬州段土壤和水體作為分析對象。基于筆者所在課題組之前的工作基礎[7]，在長江萬州段及其支流苧溪河分別選取6個土壤和水體取樣點：（1）桐園；（2）盤盤石；（3）東方廣場；（4）南門口；（5）天仙湖；（6）曬網壩（圖2），分別在枯水期和豐水期采樣。采用王水提取法[8] 對樣品進行預處理。

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2結果與分析

2.1合成樣品的紅外光譜分析

圖3為ST-EPF的紅外光譜，圖中處于3 500cm-1附近的峰為淀粉的—OH峰，說明反應后的淀粉仍有大量羥基存在，環氧基團只取代了其中的小部分。參考純水溶性淀粉的紅外光譜，比較發現，在1 600～1 700 cm-1有明顯變化，當淀粉與EPF反應后，在1 700處出現1個明顯的尖銳吸收峰，歸屬于EPF上C[FY=，1]O的吸收峰。該新峰的出現可以證明EPF分子上的環氧基團與ST-EPF上的羥基發生了反應，EPF是以化學鍵合的方式連接在淀粉側鏈上的[5]。

[FK（W12][TPLSJ3.tif；S+3mm]

2.2合成樣品的光學性質分析

圖4顯示該材料的光學性質，紫外吸收光譜表明，該材料的最大吸收波長在460～480 nm，熒光光譜發射峰在524 nm，與接枝淀粉之前的熒光素差別不大，保留了熒光物質的基本光學性質。為了避免激發光譜對熒光光譜的干擾，同時獲得較佳的靈敏度，熒光測定選定激發波長為460 nm。

2.3金屬離子對合成樣品的熒光光譜的影響

通過對比加入金屬離子后材料的熒光強度，可以看出只有Fe3+能夠高效猝滅材料的熒光強度（圖5）。隨著pH值的變化，熒光素有不同的解離形式，其中只有2種陰離子形式的熒光素有較強的熒光發射[9]。由之前的表征可以看出，EPF成功修飾ST的同時，表面還有大量的羥基（3 500 cm-1附近的峰為—OH峰），是熒光的增色團，同時可以充當金屬離子的配體。當金屬離子與材料發生化學反應后，由于酸度增強和—OH數量的減少，從而使得熒光強度降低。作為Lewis酸的金屬離子的配位能力和酸性由于金屬離子的結構不同而不同，所以材料的熒光強度降低程度也不同。Fe3+是很強的Lewis酸，電子構型為3 d5，不僅具有3 d、4 s、4 p軌道可以成鍵[10-11]，K穩一般也較大，遠遠高于其他金屬離子，所以對材料的猝滅效果較好。

2.4Fe3+對合成樣品的線性響應

[JP2]研究發現，Fe3+不僅對材料的熒光強度有猝滅作用，同時相對熒光強度（I）與濃度（c）在一定范圍內滿足線性關系（圖6），線性方程為I =-4.375 1c+2 062.5，線性響應范圍為 1.0 ×10-7～3.0×10-5 mol/L，相關系數為0.992 6，加標回收率為95.2%～102.6%，暗示該光學材料可以作為測定Fe3+的潛在探針。

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2.5實際樣品的測定結果

為了考察探針的實際應用效果，同時利用探針的分析結果，評價三峽庫區重慶市萬州段土壤和水體的Fe3+含量。

由表1可以看出，枯水期土壤中Fe3+檢出濃度多在 300 μg/g 以下，豐水期土壤中Fe3+檢出濃度大部分接近或超過300 μg/g；枯水期水體中Fe3+檢出濃度多在 20 μmol/L以下，豐水期水體中Fe3+檢出濃度大部分接近或超過 20 μmol/L。1號、6號取樣點土壤和水體中Fe3+濃度相對較小，因為這2個區域的污染物只來源于居民日常生活垃圾，經過豐水期到枯水期的過渡，大多數Fe3+已經被沖刷到庫區下游；2號取樣點土壤和水體中Fe3+濃度相對最高，主要是因為2號取樣點上游有化工園區、碼頭等，為面源污染；4號、5號取樣點位于苧溪河下游，目前苧溪河污染嚴重，所以污染物濃度也相對較高；3號取樣點位于長江轉彎處，水體對于污染物的自凈功能較差，所以3號取樣點污染物濃度比4號、5號取樣點高。總體來說，豐水期各取樣點土壤和水體中Fe3+濃度高于枯水期，這可能是由于江水對沉積物的沖刷以及江水對岸邊垃圾的浸泡，使污染物來源得到了加強[12-14]。

3結論

本研究表明，利用環保修飾劑淀粉化學鍵合合成淀粉修飾的熒光素（ST-EPF），拓展了熒光素在環保領域的應用。修飾合成的ST-EPF對于金屬離子Fe3+具有很好的響應效果，歸結于Fe3+是強的Lewis酸。將熒光探針用于分析三峽庫區土壤和水體中的Fe3+濃度，方法簡單環保。本研究還分析了重慶市萬州段的污染狀況及污染物來源，為污染控制研究提供了參考。

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